DE3040556C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Gattungs begriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.The invention relates to a circuit arrangement in the genus Concept of claim 1 described type.
Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits durch die Zeitschrift "Electronics" /August 2 1979, Seite 119, bekannt. Such Circuit arrangement is already through the magazine "Electronics" / August 2 1979, page 119.
Das Einsatzgebiet für Wechselrichter ist allgemein be kannt: Sie dienen zur Erzeugung alternierender Spannun gen, insbesondere sinusförmiger Wechselspannungen aus einer Gleichspannung (Batterie). Mit ihrer Hilfe können Verbraucher, die entweder ausschließlich mit Wechsel spannung betrieben werden können, z. B. Motoren, oder de ren serienmäßige Auslegung für Wechselstrombetrieb nicht geändert werden kann oder soll, bei Netzausfall oder in Einsatzfällen, bei denen ein Netzanschluß nicht zur Ver fügung steht, aus einer Batterie gespeist werden.The area of application for inverters is general knows: They serve to generate alternating voltages gen, in particular sinusoidal AC voltages a DC voltage (battery). With their help Consumers with either bills of exchange only voltage can be operated, for. B. engines, or de Ren standard design for AC operation can or should be changed, in the event of a power failure or in Applications in which a network connection is not used for ver is available from a battery.
Der derzeitige Stand der Technik von Wechselrichtern sehr hohen Wirkungsgrades ist beispielsweise in der Zeitschrift "ERICSSON Review" Nr. 1, 1979 S. 34 ff so wie in der Zeitschrift "Electronics", August 2, 1979, S. 119 und Dezember 6, 1979, Seite 69 und 70 ausführ lich beschrieben. Diese bekannten Wechselrichter ent halten einen sogenannten Umrichter, der als Sperrwand ler oder als Ein- oder Gegentaktdurchflußwandler ausge bildet ist, mit einer im Vergleich zur Frequenz der ge wünschten alternierenden Spannung wesentlich höheren Frequenz schwingt und durch ein der gewünschten alter nierenden Spannung entsprechendes aus einem Referenz oszillator abgeleitetes Modulationssignal, insbesondere in Pulsbreitenmodulation, modulierbar ist. In die Ver bindung zwischen dem Umrichter und dem Wechselstromver braucher sind im allgemeinen steuerbare stromrichtungs abhängige Schaltelemente (z. B. Thyristoren) eingefügt, durch deren alternative Ansteuerung die gewünschte al ternierende Spannung aus aufeinanderfolgenden Halbwel len zusammensetzbar ist.The current state of the art of inverters is very high efficiency, for example, in the Journal "ERICSSON Review" No. 1, 1979 p. 34 ff see above as in the magazine "Electronics", August 2, 1979, Pp. 119 and December 6, 1979, pages 69 and 70 Lich described. These known inverters ent keep a so-called converter, which acts as a barrier ler or out as a single or push-pull flow converter is formed with a compared to the frequency of the ge wanted alternating tension much higher Frequency swings and through one of the desired ages voltage from a reference oscillator-derived modulation signal, in particular in pulse width modulation, can be modulated. In the ver connection between the converter and the AC power supply users are generally controllable current direction dependent switching elements (e.g. thyristors) inserted, through their alternative control the desired al terning tension from successive half-worlds len can be put together.
Schaltungsanordnungen der vorangehend beschriebenen Art können wegen der erwähnten stromrichtungsabhängigen Schaltelemente Energie ausschließlich in einer Richtung übertragen. Falls der zu speisende Wechselstromverbrau cher eine komplexe Last darstellt, ergeben sich Verzer rungen der alternierenden Spannung, die von der in Reak tanzanteilen des Lastwiderstandes periodisch gespeicher ten Energie herrühren. Bekanntlich muß die in den nicht ohmschen Komponenten eines Lastwiderstandes periodisch gespeicherte Energie periodisch wieder abgebaut, d. h. entweder vernichtet, zur Quelle zurückgeführt oder an derweitig verwendet werden. Die gespeicherte Energie be wirkt, daß die Ausgangsspannung über den Sollwert der gewünschten alternierenden Spannung hinaus ansteigt. In induktiven Blindwiderständen gespeicherte magnetische Energie verursacht einen Spannungsüberschuß während der ansteigenden Flanke des Sollwertes, während in kapazi tiven Widerstandsanteilen gespeicherte elektrische Ener gie einen Spannungsüberschuß während der fallenden Flanke des Sollwertes verursacht. Letzteres betrifft insbesondere auch die Siebkondensatoren des Wechselrich ters.Circuit arrangements of the type described above may depend on the current direction mentioned Switching elements energy in one direction only transfer. If the AC power to be fed is used ver represents a complex burden of alternating voltage from that in Reak dance shares of the load resistance periodically stored energy. As is well known, it does not have to be in ohmic components of a load resistor periodically stored energy periodically degraded again, d. H. either destroyed, returned to the source, or at widely used. The stored energy be has the effect that the output voltage exceeds the setpoint of the desired alternating voltage increases. In Magnetic inductive reactive resistors Energy creates a voltage surplus during the rising edge of the setpoint while in kapazi tive resistance components stored electrical energy pour a surplus voltage during the falling Edge of the setpoint. The latter concerns especially the filter capacitors of the inverter ters.
Es ist bekannt und üblich, konstante kapazitive oder induktive Blindleistung durch entsprechend dimensionier te duale Bauelemente zu kompensieren (Resonanzabstim mung). Wie aus dem "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" (Springer-Verlag Berlin/Göttungen/Heidelberg 1956), herausge geben von H. Meinke und F. W. Gundlach, Seite 105, hervorgeht, sind zwei Zweipole zueinander widerstandsreziprok (dual), wenn sich der Widerstand des einen Zweipols so verhält, wie der Leitwert des anderen. - Eine Resonanzabstimmung mittels dualen Bauelementen der zuvor angesprochenen Art ist jedoch nur für die Grundwelle der alternierenden Spannung möglich.It is known and common to use constant capacitive or inductive reactive power through appropriately dimensioned to compensate for dual components (resonance tuning mung). Like from the "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik" (Springer-Verlag Berlin / Göttungen / Heidelberg 1956), published by H. Meinke and F. W. Gundlach, page 105, are two bipolar reciprocal to each other, if the resistance of a two-pole system behaves like that Conductance of the other. - A resonance vote using dual However, components of the type mentioned above are only possible for the fundamental wave of the alternating voltage.
Es ist auffallend, daß bei den in dem obenerwähnten Stand der Technik beschriebenen Wechselrichtern das Pro blem komplexer Lastwiderstände praktisch nicht angespro chen wird, d. h. es wird dort offensichtlich ohmsche Last vorausgesetzt bzw. eine Erhöhung des Klirrfaktors hinge nommen. Die gezielte Lastkompensation durch Resonanzab stimmung hat außer der Tatsache, daß sie nur für die Grundwelle möglich ist, den Nachteil, daß sie nur für einen gegebenen Belastungswert zutrifft, so daß die ent sprechenden Geräte nicht universell einsetzbar sind, es sei denn, daß die kompensierenden Elemente stark über dimensioniert sind. Dabei sind der Platzbedarf und das Gewicht der Bauteile von Nachteil.It is striking that in the above-mentioned State of the art inverters described the Pro complex load resistors practically not addressed will be d. H. there is obviously an ohmic load assuming an increase in the distortion factor taken. The targeted load compensation through resonance besides the fact that it is only for the Fundamental wave is possible, the disadvantage that it is only for a given load value applies, so that the ent speaking devices are not universally applicable, it unless the compensating elements are heavily over are dimensioned. Here are the space requirements and that Weight of the components is a disadvantage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung der im Gattungsbegriff der im Patentan spruch 1 beschriebenen Art in der Weise weiter zu bil den, daß die gewünschte alternierende Spannung unabhän gig von der Belastungsart den gewünschten zeitlichen Verlauf aufweist. Außerdem sollen die in den Speise stromkreis eingefügten steuerbaren stromrichtungsabhän gigen Schaltelemente von den durch die Blindleistung verursachten Spannungsspitzen entlastet werden.The invention has for its object a scarf arrangement in the generic term of the in the patent Proverb 1 described in the way to bil that the desired alternating voltage is independent depending on the type of load the desired time Has history. They are also said to be in the food Circuit inserted controllable current direction dependent gige switching elements of the by the reactive power caused stress peaks are relieved.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.This task is accomplished with a circuit arrangement solved the features mentioned in claim 1.
Erfindungsgemäß ist dem Wechselstromverbraucher also ein Hilfsbelastungskreis parallel geschaltet, der bei Abweichungen der an dem Verbraucher auftretenden Ist- Spannung von der gewünschten Soll-Spannung wirksam wird und der den entsprechenden Spannungsüberschuß beseitigt bzw. auf ein Maß reduziert, das einem tolerierbaren Klirrfaktor entspricht. According to the invention, the AC consumer is an auxiliary load circuit connected in parallel at Deviations of the actual Voltage from the desired target voltage is effective and that eliminates the corresponding excess voltage or reduced to a level that is tolerable THD corresponds.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hier mit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwie sen wird. Eine dieser Weiterbildungen ermöglicht es, die von dem Hilfsbelastungskreis ausgenommene Energie zu der Speisequelle (Batterie) zurückzuführen. Zu diesem Zweck ist der Hilfsbelastungskreis seinerseits als Teil eines Umrichters ausgebildet, dessen Ausgangsspannung nach Gleichrichtung der Speisequelle zugeführt werden kann.Advantageous refinements and developments of the Er invention are the subject of the subclaims to which here with expressly referenced to shorten the description will. One of these training courses makes it possible to energy exempted from the auxiliary load circle to the Food source (battery) attributed. To this end the auxiliary load group is itself part of one Converter trained, the output voltage after Rectification of the source can be supplied.
Das steuerbare Schaltelement, mittels dessen der Hilfs belastungskreis einschaltbar ist, kann so angeordnet sein, daß es während einer Halbwelle der gewünschten alternierenden Spannung wiederholt zwischen seinem lei tenden und seinem nichtleitenden Zustand umgesteuert wird. Diese Umsteuerung kann entweder freischwingend erfolgen, indem im Steuerkreis dieses Schaltelementes wirksame Zeitglieder die Einschaltzeit begrenzen, sie kann jedoch auch fremdgesteuert sein, wobei die Fremd steuerung vorzugsweise aus der vergleichsweise hohen Frequenz des eingangs genannten Umrichters abgeleitet ist.The controllable switching element by means of which the auxiliary load circuit can be switched on, can be arranged be that it is desired during a half wave alternating tension repeated between his lei tendency and its non-conductive state becomes. This reversal can either be free-swinging done by in the control circuit of this switching element effective timers limit the on time, they However, it can also be externally controlled, with the third party control preferably from the comparatively high Frequency of the converter mentioned at the beginning is.
Der Hilfsbelastungskreis ist vorzugsweise über eine Vollweg-Gleichrichterbrücke mit dem eigentlichen Wech selstromverbraucher verbunden. Dies hat den Vorteil, daß der Hilfsbelastungskreis und insbesondere das Schaltele ment zu seiner periodischen Einschaltung stromrichtungs abhängig sein können, da ihnen die beiden Halbwellen der alternierenden Verbraucherspannung infolge der Vollweg- Gleichrichtung stets mit derselben Polarität angeboten werden.The auxiliary load circuit is preferably one Full-wave rectifier bridge with the actual change electricity consumers connected. This has the advantage that the auxiliary load circuit and in particular the Schaltele ment for its periodic switching current direction can be dependent because the two half waves of the alternating consumer voltage due to the full-travel Rectification always offered with the same polarity will.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention is based on the drawings explained in more detail.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines ersten Ausfüh rungsbeispieles der Erfindung, bei dem der Hilfs belastungskreis von der gesteuerten Strecke eines linearen steuerbaren Schaltelementes, z. B. der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors mit linearer Eingangs-Ausgangscharakteristik gebil det ist. Fig. 1 shows the basic circuit diagram of a first embodiment of the invention, in which the auxiliary load circuit from the controlled path of a linear controllable switching element, for. B. the emitter-collector path of a transistor with a linear input-output characteristic is gebil det.
Fig. 2 zeigt einige Zeitdiagramme zur Verdeutlichung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems und seiner Lösung. Fig. 2 shows some time diagrams to illustrate the underlying problem of the invention and its underlying solution.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei dem der Hilfsbelastungskreis einen vor zugsweise ohmschen Widerstand enthält, der durch ein steuerbares Schaltelement mit Schaltercharak teristik während jeder Halbwelle zu kompensieren den Spannung wiederholt ein- und ausschaltbar ist. Fig. 3 shows a further embodiment of the inven tion, in which the auxiliary load circuit contains a preferably ohmic resistance before, which compensates for a voltage by a controllable switching element with switch characteristics during each half-wave, the voltage can be switched on and off repeatedly.
Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme zur Erläuterung des Ausfüh rungsbeispieles gemäß Fig. 3. FIG. 4 shows timing diagrams for explaining the exemplary embodiment according to FIG. 3.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei dem der in dem Hilfsbelastungskreis wirksame Verbraucher Bestandteil eines Umrich ters ist, dessen Ausgangsleistung zu der Speise quelle zurückführbar ist. Fig. 5 shows a further embodiment of the inven tion, in which the effective in the auxiliary circuit load is part of a Umrich ters, the output power can be traced back to the food source.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild für einen allgemeinen Einsatz der elektronischen Blindlastkompensation gemäß der Erfindung. Fig. 6 shows a schematic circuit diagram for a general use of the electronic reactive load compensation according to the invention.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus einem Umrichter Um, der aus einer Gleichspannungsquelle UE ge speist ist. Der Umrichter Um ist ein sogenannter modu lierbarer Umrichter, d. h. seine mit uk bezeichnete an den Klemmen a und b auftretende Ausgangsspannung ändert ihre Amplitude in Abhängigkeit von einem Modulationssi gnal, das dem mit c bezeichneten Modulationseingang zu geführt wird. Der Umrichter Um enthält einen elektroni schen Zerhacker, der mit einer im Vergleich zur Fre quenz des Modulationssignals hohen Impulsfrequenz schwingt. Die Modulation ist vorzugsweise eine Pulsbrei tenmodulation, d. h. die Breite der Zerhackerimpulse wird nach Maßgabe des Modulationssignals verändert.The circuit shown in Fig. 1 consists of a converter Um , which ge is fed from a DC voltage source UE . The converter Um is a so-called modulable converter, ie its output voltage indicated at uk at terminals a and b changes its amplitude depending on a modulation signal that is fed to the modulation input labeled c . The Um converter contains an electronic chopper that vibrates at a high pulse frequency compared to the frequency of the modulation signal. The modulation is preferably a pulse width modulation, ie the width of the chopper pulses is changed in accordance with the modulation signal.
Das Modulationssignal wird von einem Referenzoszillator geliefert, der im vorliegenden Beispiel eine sinusför mige Spannung liefert, deren Frequenz derjenigen der ge wünschten Ausgangsspannung entspricht. Der Referenzos zillator ist Bestandteil der symbolisch mit s bezeichne ten Quelle. Das Ausgangssignal dieser Quelle ist eine zweiweggleichgerichtete Sinusspannung. Diese Spannung wird dem ersten Eingang eines mit RU bezeichneten Kom parators zugeführt. An dem zweiten Eingang dieses Kom parators RU liegt eine Teilspannung der Ausgangsspan nung Uk an, die an einem aus den Widerständen R 1 und R 2 bestehenden Spannungsteiler gewonnen wird. Dieser Span nungsteiler und der Komparator RU sind Bestandteil eines Regelkreises, durch den die Ausgangsspannung uk des Um richters Um derart geregelt wird, daß sie der Ausgangs spannung der Quelle s folgt.The modulation signal is supplied by a reference oscillator, which in the present example provides a sinusoidal voltage, the frequency of which corresponds to that of the desired output voltage. Zillator the Referenzos is part of the symbolically s call th source. The output signal from this source is a two-way rectified sinusoidal voltage. This voltage is fed to the first input of a comparator labeled RU . At the second input of this comparator RU there is a partial voltage of the output voltage Uk which is obtained from a voltage divider consisting of the resistors R 1 and R 2 . This voltage divider and the comparator RU are part of a control circuit through which the output voltage uk of the order Um Um is regulated such that it follows the output voltage of the source s .
Die Ausgangsspannung uk hat dementsprechend ebenfalls den Verlauf einer kommutierten Sinuskurve. Die Ausgangs spannung uk wird durch eine aus zwei Thyristoren S 1 und S 2 und zwei Transistoren S 3 und S 4 bestehende Brücken schaltung periodisch derart umgepolt, daß jede zweite Halbwelle kommutiert und somit eine kontinuierliche Si nusschwingung zusammengesetzt wird. Die periodische An steuerung der Thyristoren S 1 und S 2 sowie der Transi storen S 3 und S 4 erfolgt in nicht näher dargestellter Weise mit Hilfe von Steuersignalen, die aus dem erwähn ten Referenzoszillator abgeleitet werden.The output voltage uk accordingly also has the shape of a commutated sine curve. The output voltage uk is periodically reversed by a bridge consisting of two thyristors S 1 and S 2 and two transistors S 3 and S 4 such that every second half-wave commutates and thus a continuous Si oscillation is composed. The periodic control of the thyristors S 1 and S 2 and the transistors S 3 and S 4 takes place in a manner not shown with the aid of control signals which are derived from the reference oscillator mentioned.
Der von der Anordnung zu speisende Wechselstromverbrau cher sei ein komplexer Lastwiderstand, der aus dem ohm schen Widerstand R, der Induktivität L und der Kapazi tät C besteht. Die an dem Lastwiderstand auftretende Spannung ist mit uA bezeichnet. Die durch die einzelnen Komponenten fließenden Ströme sind mit iR, iL bzw. iC bezeichnet.The AC consumer to be fed by the arrangement is a complex load resistor consisting of the ohmic resistor R , the inductance L and the capacitance C. The voltage occurring across the load resistor is designated uA . The currents flowing through the individual components are designated iR, iL and iC .
Die Schaltung beinhaltet ferner einer aus den die Dioden D 1, D 2, D 3 und D 4 bestehende Gleichrichterbrücke, deren Ausgangsspannung mit uv bezeichnet ist. Der Ausgang die ser Gleichrichterbrücke ist mit der Kollektor-Emitter- Strecke eines Transistors T belastet. Die Basis dieses Transistors T ist mit dem Ausgang eines weiteren Kompa rators RK verbunden, an dessen Eingängen die Spannung der Quelle s bzw. ein Teil der Spannung uv anliegen. Letztere wird durch einen aus Widerständen R 3 und R 4 bestehenden Spannungsteiler gewonnen.The circuit also includes a rectifier bridge consisting of diodes D 1 , D 2 , D 3 and D 4 , the output voltage of which is designated uv . The output of this rectifier bridge is loaded with the collector-emitter path of a transistor T. The base of this transistor T is connected to the output of a further comparator RK , at the inputs of which the voltage of the source s or part of the voltage uv are applied. The latter is obtained by a voltage divider consisting of resistors R 3 and R 4 .
Zusätzlich zu der aus den Dioden D 1 bis D 4 bestehenden Gleichrichterbrücke ist eine Diode D 5 vorgesehen, die die Ausgangsklemme a des Umrichters Um unmittelbar mit dem den Transistor T enthaltenden Hilfsbelastungskreis verbindet. Über diese Diode D 5 ist auch der in dem Um richter Um enthaltene Siebkondensator in die Blindlast kompensation einbezogen.In addition to the rectifier bridge consisting of diodes D 1 to D 4 , a diode D 5 is provided which connects the output terminal a of the converter Um directly to the auxiliary load circuit containing the transistor T. Via this diode D 5 , the filter capacitor contained in the order is included in the reactive load compensation.
Im folgenden sei die Funktion der in Fig. 1 dargestell ten Schaltung unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 ge zeigten Zeitdiagramme näher erläutert:The function of the circuit shown in FIG. 1 is explained in more detail below with reference to the time diagrams shown in FIG. 2:
An den Ausgangsklemmen a und b des Umrichters Um er scheint eine Ausgangsspannung uK, deren zeitlicher Ver lauf infolge der Regelung über den Komparator RU im we sentlichen der "Soll-Spannung" der Quelle s entspricht. In dem Komparator RK wird auch die durch Gleichrichtung aus der Ausgangsspannung uA abgeleitete Spannung uv mit dieser Soll-Spannung verglichen. Der Regelkreis mit dem Komparator RK ist so eingestellt, daß der Transistor T dann leitend wird und den Blindstrom der kapazitiven oder induktiven Komponenten C bzw. L des Lastwiderstan des übernimmt, wenn die Spannung uv die Soll-Spannung überschreitet. Dabei wird der Energieüberschuß in dem Transistor T verbraucht, derart daß die Spannung uv wäh rend des betreffenden Bereiches der Halbwelle der Soll- Spannung folgt. Die Spannung uA an dem Lastwiderstand erhält dadurch die gewünschte Sinusform mit einer durch den Abstand der in Fig. 2a dargestellten Kurven uv und uK gegebenen Verzerrung. Dieser Spannungsabstand ist in den Kurven von Fig. 2 zum besseren Verständnis vergleichs weise groß dargestellt. In der Praxis ist er jedoch so klein, daß der sich ergebende Klirrfaktor einen vorbe stimmten Wert nicht überschreitet. Fig. 2b zeigt den Verlauf des Stromes iR und der Spannung uA bei einer rein ohmschen Belastung. Man sieht, daß beide Kurven gleichphasig verlaufen und keine Verzerrung der Aus gangsspannung uA auftritt. In Fig. 2c sind die entspre chenden Kurven für eine rein induktive Last dargestellt. Bei einer solchen rein induktiven Last ist in der Induk tivität L nach jedem Nulldurchgang der Spannung uA eine magnetische Energie gespeichert, deren Wert dem Quadrat des Scheitelwertes des Stromes iL und der halben Induk tivität L proportional ist. Diese magnetische Energie führt zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung uA bis auf den durch die Spannung uV gegebenen Wert. Beim Nulldurch gang des Stromes iL ist die magnetische Energie restlos verbraucht, so daß die Ausgangsspannung uA wieder auf den Wert von uK zurückfällt.At the output terminals a and b of the converter Um it seems an output voltage uK , the course of which, due to the regulation via the comparator RU, essentially corresponds to the "target voltage" of the source s . In the comparator RK , the voltage uv derived by rectification from the output voltage uA is also compared with this target voltage. The control circuit with the comparator RK is set so that the transistor T then becomes conductive and takes over the reactive current of the capacitive or inductive components C or L of the load resistor, when the voltage uv exceeds the target voltage. The excess energy in the transistor T is consumed such that the voltage uv during the relevant range of the half-wave follows the target voltage. The voltage uA across the load resistor is thereby given the desired sinusoidal shape with a distortion given by the distance between the curves uv and uK shown in FIG. 2a. This voltage gap is shown in the curves of Fig. 2 for a better understanding comparatively large. In practice, however, it is so small that the resulting distortion factor does not exceed a predetermined value. FIG. 2b shows the variation of the current Ir and the voltage UA on a purely resistive load. It can be seen that both curves are in phase and no distortion of the output voltage uA occurs. In Fig. 2c, the corre sponding curves for a purely inductive load are shown. With such a purely inductive load, the inductance L stores magnetic energy after each zero crossing of the voltage uA , the value of which is proportional to the square of the peak value of the current iL and half the inductance L. This magnetic energy leads to an increase in the output voltage uA up to the value given by the voltage uV . At the zero crossing of the current iL , the magnetic energy is completely consumed, so that the output voltage uA falls back to the value of uK .
Wenn der Lastwiderstand rein kapazitiv ist (Fig. 2d) und die Ausgangsspannung uA ihren Scheitelwert erreicht, ist in dem Lastwiderstand elektrische Energie gespeichert, deren Wert dem Quadrat des Scheitelwertes der Spannung uA und der halben Kapazität C proportional ist. Diese elektrische Energie kann sich - (wie im Fall der induk tiven Belastung die magnetische Energie) - nicht über die stromrichtungsabhängigen Schaltelemente S 1 bis S 4 entladen. Sie versucht daher, die Spannung uA auf dem Scheitelwert zu halten, bis die Regelung durch den Hilfs belastungskreis wirksam wird (Fig. 2d).If the load resistance is purely capacitive ( FIG. 2d) and the output voltage uA reaches its peak value, electrical energy is stored in the load resistor, the value of which is proportional to the square of the peak value of the voltage uA and half the capacitance C. This electrical energy can - (as in the case of the inductive load the magnetic energy) - not discharge via the current direction-dependent switching elements S 1 to S 4 . It therefore tries to keep the voltage uA at the peak value until the regulation by the auxiliary load circuit takes effect ( Fig. 2d).
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Er findung unterscheidet sich von der Schaltung gemäß Fig. 1 dadurch, daß der Hilfsbelastungskreis nicht ausschließ lich von der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors gebildet wird, sondern einen Widerstand Rv enthält, so daß die überschüssige Leistung nicht ausschließlich in dem Transistor T in Verlustwärme umgesetzt wird. Im üb rigen sind die in der Schaltung gemäß Fig. 3 verwende ten Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie die gleichen oder gleichwirkenden Teile in Fig. 1.The embodiment of the invention shown in FIG. 3 differs from the circuit according to FIG. 1 in that the auxiliary load circuit is not formed exclusively by the collector-emitter path of a transistor, but contains a resistor Rv , so that the excess power is not exclusively converted into heat loss in the transistor T. In üb ring 3 using ten components in the circuit of FIG. Are indicated by the same reference numerals as the identical or functionally identical parts in FIG. 1.
Der Transistor T in Fig. 3 stellt einen Schalter dar, der eine sehr geringe Verlustleistung besitzt. Dieser Transistor T wird während des Regelvorganges mit einer vergleichsweise hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet. Der zeitliche Verlauf der entsprechenden Spannungen uv und uK sowie des durch den Transistor T fließenden Stromes, der mit iB bezeichnet ist, ist in Fig. 4 dar gestellt.The transistor T in FIG. 3 represents a switch which has a very low power loss. This transistor T is switched on and off at a comparatively high frequency during the control process. The time course of the corresponding voltages uv and uK and the current flowing through the transistor T , which is denoted by iB , is shown in FIG. 4.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet in folgen der Weise: Sobald die Spannung uA "zu hoch" wird, wird der Transistor T eingeschaltet. Infolgedessen sinkt die Spannung uA unter den Sollwert und der Transistor T wird wieder ausgeschaltet. Um die Frequenz dieses Ein- und Ausschaltvorganges zu verkleinern und die mit dem Umschalten verbundenen Verluste zu verringern, ist zwi schen dem Ausgang des Komparators RK und seinem mit der Spannung uV verbundenen Eingang ein Zeitglied als Rück kopplungszweig eingefügt, das aus einem Widerstand RT und einem Kondensator CT besteht. Dadurch wird die Dauer der einzelnen Schaltzustände auf einen vorbestimmten Wert verlängert und die maximale Schaltfrequenz entspre chend begrenzt. The circuit shown in FIG. 3 operates in the following way: As soon as the voltage uA "becomes too high", the transistor T is switched on. As a result, the voltage uA drops below the setpoint and the transistor T is switched off again. In order to reduce the frequency of this switching on and off and to reduce the losses associated with switching, between the output of the comparator RK and its input connected to the voltage uV , a timing element is inserted as a feedback branch, which consists of a resistor RT and a Capacitor CT exists. As a result, the duration of the individual switching states is extended to a predetermined value and the maximum switching frequency is accordingly limited.
Wie aus Fig. 4 erkennbar ist, wird die gewünschte Sinus form durch eine Treppenkurve angenähert. Bei überwie gend induktiver Last ist am Ausgang ein Glättungskon densator erforderlich, der in den Schaltpausen des Tran sistors T den induktiven Strom aufnehmen kann.As can be seen from Fig. 4, the desired sinus shape is approximated by a staircase curve. With predominantly inductive load, a smoothing capacitor is required at the output, which can absorb the inductive current during the switching breaks of the transistor T.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die von dem Hilfsbelastungskreis aufgenommene Ener gie zu der Speisequelle UE zurückgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Lastwiderstand Rv von Fig. 3 durch die Primärwicklung eines Transformators Tr ersetzt. Dieser Transformator Tr ist Bestandteil eines Sperrwandlers, der mit der Ein- und Ausschaltfrequenz des Transistors T schwingt. Die auf die Sekundärseite dieses Transfor mators Tr übertragene Spannung wird mit Hilfe einer Diode D 6 gleichgerichtet und während der Sperrphase in die Quelle UE zurückgespeist. Anstelle des Sperrwand lers können selbstverständlich auch andere Umrichter zur Energierückübertragung verwendet werden. Fig. 5 shows an embodiment of the invention in which the energy absorbed by the auxiliary load circuit energy is returned to the feed source UE . For this purpose, the load resistance Rv of Fig. 3 is replaced by the primary winding of a transformer Tr . This transformer Tr is part of a flyback converter, which oscillates at the on and off frequency of the transistor T. The voltage transmitted to the secondary side of this transformer Tr is rectified with the aid of a diode D 6 and fed back into the source UE during the blocking phase. Instead of the barrier wall, other converters can of course also be used for energy retransmission.
Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bestand der Wechselrichter zur Speisung des Wechsel stromverbrauchers aus einem modulierbaren Gleichstrom umrichter, dessen Ausgangsspannung uK durch eine Pol wenderbrücke zu einer sinusförmigen Spannung zusammen gesetzt wird. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Blind lastkompensation ist nicht auf derartige Wechselrichter beschränkt, sondern läßt sich bei Wechselrichtern belie biger Bauart verwenden. Fig. 6 zeigt ein entsprechendes Prinzipschaltbild. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den vorangehenden Figuren. Der verwendete Wechselrichter ist mit Wr bezeichnet. Es handelt sich beispielhaft je doch nicht notwendigerweise um einen fremdgesteuerten Wechselrichter, d. h. die Frequenz seiner Ausgangsspan nung uA ist durch eine Referenzquelle s gegeben. Die Spannung dieser Referenzquelle s wird über einen Über trager Ü abgegriffen und in einem Vollweggleichrichter G gleichgerichtet. Die am Ausgang dieses Gleichrichters G auftretende gleichgerichtete Sinusspannung dient wie der als Sollspannung und liegt an dem entsprechenden Eingang des Komparators RK an. Im übrigen gleicht die Funktion der Schaltung gemäß Fig. 6 derjenigen der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Selbstverständlich kann der Hilfsbelastungskreis, der im gezeichneten Beispiel wieder aus der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T besteht, in gleicher Weise ausgebildet sein, wie bei den Schaltungen gemäß Fig. 3 oder 5.In the above-described embodiments, the inverter existed for feeding the alternating-current load from a DC current is modulated converters whose output voltage uK by a pole wenderbrücke to a sinusoidal voltage set together. The arrangement for reactive load compensation according to the invention is not limited to such inverters, but can be used in inverters of any construction. Fig. 6 shows a corresponding schematic diagram. The same or equivalent components are again provided with the same reference numerals as in the previous figures. The inverter used is labeled Wr . For example, it is not necessarily an externally controlled inverter, ie the frequency of its output voltage uA is given by a reference source s . The voltage of this reference source s is tapped via a transformer U and rectified in a full-wave rectifier G. The rectified sinusoidal voltage occurring at the output of this rectifier G serves as the target voltage and is present at the corresponding input of the comparator RK . Otherwise, the function of the circuit according to FIG. 6 is the same as that of the circuit shown in FIG. 1. Of course, the auxiliary load circuit, which again consists of the collector-emitter path of the transistor T in the example shown, can be designed in the same way as in the circuits according to FIGS. 3 or 5.
Claims (7)
- - bestehend aus einem Umrichter zur Erzeugung einer nicht alternierenden, aus aufeinanderfolgenden Halbwellen bestehenden Spannung aus einer Gleichspannung und einer dem Umrichter nachgeschalteten Umpolschaltung mit stromrichtungsabhängigen Schaltelementen, durch deren alternative Ansteuerung eine alternierende Spannung durch Umpolung der aufeinanderfolgenden Halbwellen der Umrichter-Ausgangsspannung zusammensetzbar ist
- - zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers mit der alternierenden Spannung, insb. einer sinusförmigen Wechselspannung,
- - wobei die im Laststromkreis wirksamen stromrichtungs abhängigen Schaltelemente eine Rückspeisung von in kapazitiven oder induktiven Komponenten des Wechsel stromverbrauchers gespeicherter magnetischer bzw. elektrischer Energie in den Wechselrichter verhindern,
- - Consisting of a converter for generating a non-alternating voltage consisting of successive half-waves from a DC voltage and a polarity reversal circuit connected downstream of the converter with current-direction-dependent switching elements, the alternative control of which can be used to assemble an alternating voltage by reversing the polarity of the successive half-waves of the converter output voltage
- - to supply an alternating current consumer with the alternating voltage, in particular a sinusoidal alternating voltage,
- the current-direction-dependent switching elements effective in the load circuit prevent feedback of magnetic or electrical energy stored in capacitive or inductive components of the alternating current consumer into the inverter,
- - daß dem Wechselstromverbraucher ein durch ein steuerbares Schaltelement (T) einschaltbarer Hilfs belastungskreis parallel geschaltet ist,- That the AC load is connected in parallel by a controllable switching element (T) auxiliary load circuit,
- - und daß die Steuerelektrode dieses steuerbaren Schalt elementes (T) mit dem Ausgang eines Spannungsver gleichers (RK) verbunden ist, dessen Eingängen ein aus der an dem Wechselstromverbraucher wirksamen Spannung abgeleitetes Ist-Signal (uV) sowie ein aus der Aus gangsspannung des Umrichters oder einem den Umrichter steuernden Referenzoszillator abgeleitetes Soll-Signal zugeführt werden, derart, daß das steuerbare Schaltele ment (T) in seinen leitenden Zustand gesteuert wird, wenn die an dem Wechselstromverbraucher wirksame Span nung infolge des Freiwerdens von in Blindwiderstands anteilen gespeicherter elektrischer oder magnetischer Energie den Augenblickswert des genannten Soll-Signals dem Betrag nach überschreitet.- And that the control electrode of this controllable switching element (T) is connected to the output of a voltage comparator (RK) , the inputs of which are derived from the effective voltage at the AC consumer actual signal (uV) and one from the output voltage of the converter or a reference signal derived from the converter controlling the reference signal are supplied in such a way that the controllable switching element (T) is controlled in its conductive state when the voltage acting on the AC consumer due to the release of electrical or magnetic energy stored in reactance shares Momentary value of said target signal exceeds the amount.
- - dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Umrichter mit einem der gewünschten alternierenden
Spannung entsprechenden Modulationssignal, insbesondere
in Pulsbreitenmodulation, modulierbar ist mit Hilfe
eines Referenzoszillators, aus dessen Signalspannung das
genannte Modulationssignal abgeleitet ist und
- - daß das dem Spannungsvergleicher (RK) zugeführte Soll-Signal dem genannten Modulationssignal ent spricht.
- - characterized in that
- - The converter can be modulated with a modulation signal corresponding to the desired alternating voltage, in particular in pulse width modulation, with the aid of a reference oscillator, from whose signal voltage the modulation signal is derived and
- - That the voltage comparator (RK) supplied target signal speaks ent said modulation signal.
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